一種新型CO2驅(qū)油注氣管柱的研制及應(yīng)用

曹力元

（中國石化華東油氣分公司采油廠，江蘇泰州225300）

CO2驅(qū)油作為三次采油的一種方法，能大幅度提高原油采收率（EOR）。CO2作為驅(qū)油劑，可以大幅降低地層原油黏度、使其體積膨脹，同時降低油水間的界面張力，具有成本低、適用范圍廣、效率高等特點。由于CO2驅(qū)油技術(shù)經(jīng)濟有效，正成為各大油田開發(fā)低滲透油藏方面研究和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。作為利用CO2驅(qū)油技術(shù)最多的國家，美國2014年CO2驅(qū)油年EOR產(chǎn)量已達1 371×104t，約占世界總CO2驅(qū)油年EOR 產(chǎn)量的93%。國內(nèi)油田中，江蘇、勝利、中原和吉林等油田較早開展了CO2驅(qū)油試驗，取得了一定效果。

蘇北油田大部分油藏屬低滲油藏，注水開發(fā)難度大、效果差。草舍油田泰州組低滲透油藏于2005年7月開始CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗，至2013年12月，油藏累計注氣17.9×104t，增油7.97×104t，提高采收率7.89%?！笆濉逼陂g，蘇北油田在低滲油藏進行試驗推廣，共計11個單元實施CO2驅(qū)油開發(fā)，其中草中阜三段、臺南阜三段油藏均取得了較好的開發(fā)效果[4]。

上述油藏埋藏深度2 700 ～3 500 m，溫度及壓力都較高，對CO2驅(qū)注氣管柱提出較高的要求。CO2驅(qū)油注氣管柱是CO2氣進入地層的通道，是保證CO2驅(qū)油順利進行的關(guān)鍵。更重要的是，注氣井面臨CO2腐蝕、防氣蝕等問題，而國外工具費用高、售后服務(wù)難以滿足現(xiàn)場施工要求。為滿足CO2驅(qū)油注氣管柱的特殊要求，蘇北油田引進了Y221 封隔器及配套工具，并于2005年率先在草舍油田草8等5口井投入現(xiàn)場試驗。截至2018年11月，本管柱共投入應(yīng)用22井次，基本滿足注氣井的要求，但也存在氣密封性能差、反洗閥打不開、無法循環(huán)緩蝕劑等問題。雖經(jīng)不斷改進和完善施工，套壓仍然較高，油套管腐蝕嚴重，影響了CO2驅(qū)油技術(shù)的推廣。因此急需研究一種新型注氣管柱。

1 原有CO2驅(qū)注氣管柱

蘇北油田注CO2氣井井口壓力20 ～30 MPa，地層溫度90 ～110oC（部分注氣數(shù)據(jù)見表1）。原有的CO2驅(qū)注氣管柱為機械錨定式注氣完井管柱，其原理是將封隔器坐封在油層頂部，油套管環(huán)空充滿CO2緩蝕劑，降低CO2對油套管的腐蝕。管柱組成：喇叭口+Y221封隔器+水力錨+滑套開關(guān)+TM扣氣密封油管（圖1）。

圖1 Y221 機械錨定式注氣管柱Fig.1 Gas injection string Y221 with fixed mechanical anchor

該管柱在使用過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①套壓較高，雖多次改進，氣密性仍然較差，不能有效保護油層套管；②滑套開關(guān)性能不可靠，無法定期循環(huán)防腐劑；③管柱無防返吐功能，當(dāng)需要修井時必須壓井作業(yè)，增加了施工成本，對油層也存在污染危險。

2 新型CO2驅(qū)注氣管柱設(shè)計

2.1 性能要求

1）氣密封性能可靠，承壓差30 MPa以上。

2）具有防返吐功能，實現(xiàn)后期不壓井起下管柱，減少作業(yè)成本及時間。

3）滑套開關(guān)性能可靠，方便后期更換環(huán)空保護液。

4）具有較強的防蝕能力。

2.1.1 氣密封性能

1）注氣油管。為保證注氣過程中油管不滲漏，選用?73.02 mm BGT1扣氣密封油管。

2）扭矩儀的使用。為杜絕氣密扣油管的滲漏，需使用扭矩儀。在?73.02 mm N80-BGT1扣氣密封油管上扣過程中，設(shè)定其上扣扭矩范圍2 580 ～3 030 N·m，最佳扭矩為2 810 N·m。現(xiàn)場每根油管的上扣扭矩變化曲線，要求其達到標(biāo)準形態(tài)，并隨時保存扭矩變化曲線。

3）Y445J型封隔器的研制與使用。研制氣密封性能更好的二次壓縮Y445J 型封隔器替換原有Y221型封隔器，其獨特的結(jié)構(gòu)保證了更好的氣密性。

2.1.2 防腐材料

油管材料：室內(nèi)試驗結(jié)果表明，3Cr 以上材料均能滿足注CO2的需要[4-7]。

工具材料：主要鋼體采用30Cr13不銹鋼。

套管環(huán)空防腐：定期環(huán)空注CO2緩蝕劑。

橡膠密封件：使用具備防腐能力的氫化丁腈橡膠，作為橡膠密封制品的基料。

2.2 注氣管柱

根據(jù)蘇北油田十多年CO2驅(qū)的資料和現(xiàn)場實踐，經(jīng)過技術(shù)論證、實踐改進，對注氣管柱結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，2014年完成了一種新型注氣管柱研究，主要研制采用了二次壓縮Y445J型封隔器。

表1 部分Y221機械錨定式注氣管柱注氣數(shù)據(jù)（截至2018年11月）Table 1 Data of some gas injection string Y221 with fixed mechanical anchor（until November 2018）

2.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

內(nèi)徑48mm，外徑115 mm，坐封壓力20～25 MPa，管柱加壓100～150 kN，丟手壓力15～18 MPa，密封壓差35 MPa，解封力60 kN，正轉(zhuǎn)丟手圈數(shù)15。

2.2.2 注氣管柱結(jié)構(gòu)

注氣管柱從上至下：?73.02 mm N80-3Cr-BGT1扣氣密封油管+滑套開關(guān)+Y445J封隔器+?73.02 mm N80外加厚油管+多功能注氣閥（圖2）。

圖2 新型二次壓縮Y445J注氣管柱Fig.2 New gas injection string Y445J with secondary compression

2.2.3 新型注氣管柱施工步驟

1）下入注氣管柱（嚴格使用扭矩儀控制上扣扭矩），管柱到位后替環(huán)空保護液。

2）磁定位校深，待封隔器下至設(shè)計井深后，上提油管掛至一定高度，投球，從油管打壓坐封Y445J封隔器并關(guān)閉多功能注氣閥反循環(huán)孔。

3）下放管柱，坐油管掛，利用管柱重量二次加壓坐封封隔器，坐封噸位10 ～15 t。

4）接驗封管線，控制壓裂車施工排量，分別測試在注入壓力15 MPa、20 MPa、25 MPa 和30 MPa 情況下的吸水指數(shù)，開套閘觀察套管是否出水，檢查管柱的密封性。

5）開始正常注氣。

3 新型注氣管柱主要工具

3.1 二次壓縮Y445J型封隔器

3.1.1 二次壓縮Y445J型封隔器結(jié)構(gòu)

Y445J 型封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3，主要由膠筒、錨定機構(gòu)、坐封機構(gòu)和丟手機構(gòu)4大部分組成。

圖3 二次壓縮Y445J型封隔器Fig.3 Packer Y445J with secondary compression

3.1.2 工作原理與特點

管柱采用新型二次壓縮Y445J 封隔器，坐封過程包括液壓坐封和管柱加壓坐封2 個步驟。在封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，創(chuàng)新引入了二次加壓理念。利用注氣管柱自身的重量持續(xù)壓縮膠筒，使膠筒與套管內(nèi)壁的接觸應(yīng)力永久保持不變。在日常注氣生產(chǎn)中，若膠筒應(yīng)力松弛，管柱自身的重量載荷能及時補充，使之與套管內(nèi)壁接觸應(yīng)力持續(xù)不變，大幅提高封隔器的密封性。

雙卡瓦錨定機構(gòu)使封隔器在完成液壓坐封后即具有了雙向承壓能力，能夠長期、雙向承壓35 MPa，并且有效防止管柱蠕動，保證膠筒密封性。

新型雙丟手機構(gòu)設(shè)計，使其具有旋轉(zhuǎn)管柱丟手和投球液壓丟手2 種方式，可適應(yīng)多種工況對丟手作業(yè)的要求，保證丟手性能可靠。

3.2 多功能注氣閥

多功能注氣閥，具有防止氣體回流的功能，滿足了后期施工不壓井起下管柱的要求，節(jié)約了施工成本和時間。

表2 Y445J新型注CO2氣管柱注氣數(shù)據(jù)（截至2018年11月）Table 2 Data of new CO2 injection string Y445J（until November 2018）

3.3 滑套

滑套密封件采用了防刺壞設(shè)計，充分考慮了不同材料之間的溫度膨脹系數(shù)。優(yōu)化了滑套液壓打開的方式，大幅提高了滑套可靠度。

4 現(xiàn)場試驗應(yīng)用及評價

新型二次壓縮Y445J注氣管柱研制成功后，在蘇北油田現(xiàn)場試驗8 井次，均一次施工成功，施工成功率100%，注氣合格率100%。截至2018年11月底，累積注CO2氣量達78 798.38 t。注氣參數(shù)見表2。

從表2 可以看出，其中最大井深3 501.5 m，最高注氣壓力30 MPa，套管壓力0。試驗表明，新型管柱基本能滿足蘇北油田注氣要求。目前，CZ1-8、C1-1、Z1-5和S5-21等8口井注氣管柱工作正常，最長管柱入井時間已達4年，氣密封性能可靠，各項設(shè)計指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。

4.1 典型井試驗

Z1-5井是張家垛油田張1區(qū)塊的一口注CO2井，目的層為阜三段，層位埋深3 499.7 ～3 501.5 m，平均滲透率3.8×10-3μm2，屬于埋藏深度較大的特低滲油藏。參考同區(qū)塊前期部署的注氣井工況，預(yù)測該井注氣壓力為25 ～30 MPa，注入壓力較高。

Z1-5井為蘇北油田第三口采用Y445J型封隔器注氣工藝的注氣井。2015年12月，該井進行轉(zhuǎn)注氣施工，在進行徹底井筒處理后，嚴格按要求組下了注氣管柱，完成以下注氣管柱參數(shù)：多功能注氣閥深度3 510.32 m，Y445J 型注氣封隔器深度3 490.52 m，滑套深度3 489.42 m。

4.2 效果評價

Z1-5井于2015年12月開始注氣，持續(xù)注氣至今，累計注入CO2量13 680.05 t，注入壓力最高為30 MPa，套壓一直為0。無套壓注氣1 080 d，Y445J封隔器注氣管柱顯示了及其可靠的氣密封性。

5 結(jié)論

1）為確保CO2驅(qū)油注氣管柱的密封性，在應(yīng)用Y445J封隔器的同時，還要配套氣密扣密封油管，用扭矩儀使扭矩要達到規(guī)定要求，以保證油管的氣密性。

2）新型Y445J 封隔器注氣管柱密封性能良好、具備防返吐、防蝕能力強等功能，性能可靠，滿足高壓注氣的要求。

3）Y445J 新型CO2驅(qū)油注氣管柱設(shè)計嚴謹，施工工藝簡單，安全可靠，具有極高的推廣應(yīng)用價值。